五四杆机构的工作特性解析

2023-06-25 理论教育版权反馈

【摘要】：摇杆两极限位置C1D和C2D的夹角ψ称为摇杆的工作摆角，曲柄相应两位置之间所夹的锐角θ称为极位夹角。摇杆快速返回的这种运动特性称为急回特性。图1-21 曲柄摇杆机构的死点位置在实践中，也常利用机构的死点位置来实现一定的工作要求。当飞机着陆时，机轮上虽然受到很大的作用力F，但因机构处于死点位置，所以起落架不会收起，从而提高了起落架工作的可靠性。

1.运动特性——急回特性

图1-19为一曲柄摇杆机构。曲柄转过一周，曲柄通过连杆驱动从动摇杆往复摆动一次。在曲柄转动一周的过程中，曲柄两次与连杆共线，此时摇杆处在两极限位置C₁D和C₂D。摇杆两极限位置C₁D和C₂D的夹角ψ称为摇杆的工作摆角，曲柄相应两位置之间所夹的锐角θ称为极位夹角。

图1-18 手摇泵

1—构件 2—手柄 3—缸体 4—活塞

图1-19 曲柄摇杆机构

假设主动曲柄AB以等角速度ω顺时针方向转动。曲柄AB从B₁转到B₂，转过的角度φ₁=180°+θ，所需时间为t₁，摇杆CD则从C₁D摆到C₂D，C点的平均速度为v₁；曲柄AB继续转动，从B₂回到B₁，转过的角度φ₂=180°-θ，所需时间为t₂，摇杆CD则从C₂D回摆到C₁D，C点的平均速度为v₂。因φ₁＞φ₂，则t₁＞t₂，故v₂＞v₁。摇杆快速返回的这种运动特性称为急回特性。

急回特性的程度可用v₂与v₁的比值K来表达，K称为行程速比系数，即

若K已知，则可得

由上式可知，机构的急回程度取决于极位夹角θ的大小。θ=0°时，K=1，说明机构无急回特性；θ＞0°时，K＞1，说明机构有急回特性；θ越大K越大，说明机构急回程度越大。在一般机械中，K取1.1～1.3。

2.传力特性——压力角与传动角

在生产中，不仅要求连杆机构能实现预定的运动，而且希望其运转轻便，具有较高的效率。

图1-20所示的四杆机构，如不计各杆质量和运动副中的摩擦，则连杆BC为二力杆，它作用于从动摇杆CD上的力F是沿BC方向的。作用在构件上的力F的方向与力作用点速度v_c方向间所夹的锐角α称为压力角。力F可分解为F_t和F_n

F_t=Fcosα（有效分力）

F_n=Fsinα（有害分力）

图1-20 四杆机构

显然，α越小，有效分力F_t越大，有害分力F_n越小，对机构传动越有利。因此，压力角α是反映机构传动性能的重要参数。

在实际应用中，为了度量方便，习惯用压力角α的余角γ（即连杆和从动摇杆之间所夹的锐角）来判断传动性能，γ称为传动角。因γ=90°-α，所以α越小，γ越大，机构传动性能越好；反之，α越大，γ越小，机构传力越费劲，传动效率越低。

机构运动时，压力角α和传动角γ的大小随机构的不同位置发生变化，在机架与曲柄共线的两个位置之间存在γ_min。为保证机构具有良好的传动性能，设计时通常取γ_min≥40°，传动转矩较大时取γ_min≥50°。对于一些具有短暂高峰载荷的机器，可以让连杆机构在其传动角比较大的位置进行工作，以节省动力。

3.死点位置

在图1-3所示的缝纫机踏板机构中，摇杆CD（踏板）为主动件，曲柄AB为从动件，当曲柄与连杆处于共线位置时（图1-21），连杆BC传给曲柄AB的力恰巧通过曲柄转动中心A。因此，无论作用力有多大，也不能推动曲柄转动，使机构出现卡死现象，机构的这种位置就叫死点位置。缝纫机在使用中有时会出现倒车或踏不动的现象，就是因为机构处在死点位置造成的。死点位置会使从动件处于静止或运动方向不定的状态，从而影响机构的正常传动，因此应设法加以克服。通常是在从动件曲柄上安装飞轮，利用飞轮的运动惯性，使机构按原来的转向通过死点位置。例如缝纫机曲柄上的大带轮，就兼有飞轮作用；也可用相同机构错位排列的方法来通过死点位置。例如图1-22所示机车车轮联动机构就是利用两组曲柄位置相错90°的机构组成的。

图1-21 曲柄摇杆机构的死点位置

在实践中，也常利用机构的死点位置来实现一定的工作要求。如图1-23所示的飞机起落架机构，放下机轮后（图中实线位置）从动杆CD与连杆BC共线。当飞机着陆时，机轮上虽然受到很大的作用力F，但因机构处于死点位置，所以起落架不会收起，从而提高了起落架工作的可靠性。又如图1-24所示的钻床快动夹紧机构，当工件被夹紧时BCD成一直线，夹具处于死点位置，从而保证钻削加工时工件不会松脱。

图1-22 机车车轮联动机构

图1-23 飞机起落架机构

图1-24 钻床快动夹紧机构

五四杆机构的工作特性解析

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